空气环境下倍增型钙钛矿-有机复合光电探测器的制备与性能研究

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光电探测器具有将光信号转换为电信号的功能,是一类非常重要的光电子器件。现有的无机光电探测器面临着制作成本高、工艺复杂、无法适应柔性器件等问题,无法满足现代各种新型光电器件的应用需求,急需开发新型光电探测材料和器件。目前,有机光电材料和有机-无机杂化钙钛矿材料是两类较为热门的新型光电探测材料。特别是有机-无机杂化钙钛矿材料,它具有成本低廉、吸收系数高、吸收光谱宽、响应速度快、可适用于柔性器件等许多优良性质,受到了广泛关注。但按照现有工艺,钙钛矿材料往往需要在无水无氧的手套箱环境中制备,生产门槛较高,不利于大面积推广和商业化。在本文中,我们提出了一种在空气中制备多晶钙钛矿薄膜的方法,并且从拓宽探测光谱和实现光电倍增两个角度,将使用该方法制备的钙钛矿薄膜与特定的有机小分子材料结合,制备了两类不同的钙钛矿-有机复合光电探测器。本论文主要工作总结如下:首先,发展了一种在空气环境中制备钙钛矿薄膜的方法。首先将碘化铅溶液旋涂在基底上形成液膜,然后迅速将基底浸入以异丙醇为主的反溶剂中,待完全形成碘化铅薄膜之后洗净吹干,再分别动态旋涂FAI和MAI溶液,退火后得到最终的碘化铅薄膜。该方法制备的钙钛矿薄膜质量较手套箱中制备的薄膜更好,使用该钙钛矿薄膜制备的太阳能电池器件的能量转换效率(PCE)达到了19%以上,光电探测器的外量子效率(EQE)最大达到了90%,探测率最大可达3×1012 Jones,具有良好的光电性能。然后,将钙钛矿薄膜与红外吸收的有机小分子材料PbPc结合,制备了响应波长在300~1000 nm范围内的宽光谱响应的光电探测器。经优化的器件在最大工作电压下的探测率为6.0×1011 Jones,对应的最大EQE为781%。研究表明,器件的EQE大于100%,可能是PbPc吸收红外光产生的空穴被阻挡在钙钛矿与PbPc:C60的界面处,空穴累积产生了内建电场,促使能带弯曲导致大量电子从ITO电极隧穿注入引起的。最后,引入TAPC有机小分子材料,制备了具有倍增效果的光电探测器。制备的器件经过优化后,最大EQE可达1874%,对应电压下的最大探测率D*达到了2.1×1011Jones,具有较好的倍增特性和探测能力。研究表明,该器件的倍增机制主要是钙钛矿吸收入射光产生的光电子受到TAPC高LUMO能级的阻挡,堆积在界面处产生内建电场引发空穴从Al电极注入。
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